Biomimatic material(생체 모방 재료) 의 센서 응용에 대한 연구동향

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Biomimatic material(생체 모방 재료) 의 센서 응용에 대한 연구동향

Chung-Ang University, Da Vinci College of General Education OK JA Yoon

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연구 동향

• 인 간 표 피 의 지 문 융 선 (human epidermal ﬁngerprint ridges) 과 표 피 (epidermis) 를 모 방 한 표 면 운 동 인 터 페 이 스 (surface kinetic interface, SKIN)를 가지는 생체모방 촉각 센서 (biomimetic tactile sensor)를 개발함.

• SKIN는 elastic moduli로 이루어진 이중 층의 폴리머 구조로 이루어졌으며, 단단한 표피 지문 융선과 부드러운 표피 보드를 사용하여 SKIN의 촉각 감도를 개선했음.

• SKIN 층으로 된 생체 모방 촉각 센서는 20µm 높이 차이를 가지고 있으며 100μm 미만의 표면 구조에 대한 검출 능력을 입증함. 일상 생활에서 쉽게 접근 할 수 있는 텍스처 인공 손가락과 로봇 손가락이 텍스처 인식에 사용될 수 있음을 보여주고 있음.

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Biomimetic Tactile Sensors with Bilayer Fingerprint Ridges Demonstrating Texture Recognition¹

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Ti-Catalyst Biomimetic Sensor for the Detection of Nitroaromatic Pollutants²

• 나피온에 Ti 촉매 농도를 최적화하여 섞은 용액을 전극에 코팅하여 니트로 방 향 족 화합물 (nitro-aromatic compounds, NAC) 의 전 기 화 학적 특 성 을 검출하기 위한 센서 개발을 보고하고 있음.

• Ti 촉매로 코팅된 전극은 니트로 종(nitro species)의 검출에서 높은 안정성을 보였으며 농도에 따라 다른 28개의 다른 코팅 전극의 검출을 분석한 결과 약 15%의 표준 편차를 입증함.

• Ti 촉매로 코팅된 전극으로 니트로페놀 (nitrophenols), 모노니트로아닐린 (mononitroaniline), 디니트로톨루엔 (dinitrotoluene)과 같은 여러 니트로 방향족 화합물을 검출한 결과 검출 한계가 1 × 10^-4 ~ 9 × 10^–4 g L^–1 (0.2 × 10^–6 ~ 5.1

× 10^–6 mol L^–1)임을 확인하였고, 티타노센 (titanocene)이 니트로 지방족 화합물의 환원을 촉매하지 않기 때문에 NAC 검출에 대한 우수한 선택성을 보임을 보고함.

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Electrochemical sensors based on biomimetic magnetic

molecularly imprinted polymer for selective quantification of methyl green in environmental samples³

• 메틸 그린 염료 (methyl green dye)를 모니터링하고 높은 민감도와 선택적인 검 출 을 위 해 magnetic molecularly imprinted polymer (mag-MIP) 를 탄 소 페이스트 전극 (carbon paste electrode)에 코팅하여 새로운 생체 모방 센서를 제조함.

• Pseudo-first order kinetics 모델링에 의해 mag-MIP 위에서의 염료 maximum adsorption (Qm) 은 3.13 mg g^-1이 고 , 비 교 군 으 로 magnetic non-imprinted polymer (mag-NIP)을 제조하였으며 Qm의 값은 1.58 mg g^-1임을 보고함.

• 전기 화학적 분석을 통해, 1.0 × 10^-8 mol L^-1 검출 한계 (LOD), 9.9 × 10^-10 ~ 8 × 10^-6 mol L^-1의 선형 농도 범위 (linear concentration range), 4.3 %의 상대 표준 편차 (RSD) (n = 15)인 최적화된 결과를 보고함.

• 개발된 센서는 메틸 그린의 선택적 결합에 의해 93%에서 103% 범위의 회수율의 결과를 얻음으로써 우수한 정밀도와 높은 신뢰성을 입증하였고 실제 샘플에서 메틸 그린의 정량화를 위한 대체 방법의 가능성을 입증하였음.

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Biomimetic magnetic sensor for electrochemical determination of scombrotoxin in fish⁴

• Mmagnetic molecularly imprinted polymer (magnetic-MIP)기반으로 만들어진 센서를 이용하여 어류의 scombrotoxin (histamine)을 검출하는 전기화학적 센싱을 위한 연구 결과로 빠른 센싱과 저가 비용의 센서개발을 보고함.

• Histamine magnetic-MIP 는 core-shell method 로 histamine 을 코 어 tamplate로 사용하였고 기능성 monomer로 2-vinyl pyridine을 사용하여 만들었음. MIPs의 장점을 가지고 있는 생체 모방 재료와 자성 입자 (MP)는 낮은 생산 비용, 안정성, 높은 결합력을 가지고 있어 자석의 도움으로 쉽게 분리할 수 있음을 입증함.

• Magnetic-MIP는 어류시료로부터 농축된 히스타민의 전기 화학적 검출을 위해 magneto-actuated electrodes 에 직 접 화 시 킨 결 과 어 류 부 패 지 수 (fish spoilage)가 50 mg kg^-1보다 훨씬 낮고 LOD가 1.6 x 10^-6 mg L^-1 정도로 낮은 측정값을 보고함으로써 일상적인 식품 검사에 쉽게 적용할 수 있음을 확인함.

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From Electrochemical Biosensors to Biomimetic Sensors Based on Molecularly Imprinted Polymers in Environmental Determination of Heavy Metals⁵

• Molecularly imprinted polymers (MIPs) 기 반 Inhibition-enzyme electrochemical biosensors와 biomimetic sensors들이 보고되고 있으며 중금속용 센서로는 Electro-synthesized MIPs가 독성을 평가하기 위한 biomimetic electro-chemical sensors로 보고되고 있음.

• Mmulti-template imprinting은 단일 종의 동시 검출을 센싱하기 위하여 연구되고 있으나 종 분화 능력 (speciation capability)은 충분히 나타나지 않는 문제가 있는데 효소 억제 전기 화학적 바이오 센서 (enzyme inhibition electrochemical biosensor)는 이러한 문제를 극복함.

 BIOSENSOR

- 중금속 측정을 위한 전기 화학적 바이오 센서와 관련된 최근의 작업이 Table 1에 요약되어 있으며 효소 시스템 (HRP, GOx, β 갈락토시다아제)에 적용된 보고가 거의 없음.

 BIOMIMETIC SENSORS BASED ON ELECTROSYNTHESIZED MIPS

- 아직 보고되고 있지 않거나 부분적으로 보고되고 있는 electro-synthesized MIPs (e-MIPs) 기반 중금속 전기화학센서들의 결과를 Table 2에 보고하고 있음.

- Table 1과 비교하여 Table 2는 MIP artiﬁcial receptors 기반 전기화학센서들의 높 은 선 택 성 (selectivity), 안 정 성 (stability 을 보 고 하 고 있 음 .

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참고 문헌

1. Biomimetic Tactile Sensors with Bilayer Fingerprint Ridges Demonstrating Texture Recognition, E. Choi, O. Sul, J. Lee, H. Seo, S. Kim, S. Yeom, G. Ryu, H.

Yang, Y. Shin and S.-B. Lee,* Micromachines ,10(64), 2019

2. Ti-Catalyst Biomimetic Sensor for the Detection of Nitroaromatic Pollutants, A. Lemaire, P. Hapiot, F. Geneste*, Anal. Chem., 91(4), 2019

3. Electrochemical sensors based on biomimetic magnetic molecularly imprinted polymer for selective quantification of methyl green in environmental samples, S. Khan, A. Wong, M. V. B. Zanoni, M. D. P. T.

Sotomayor , Materials Acience and Engineering: C, 103, 2019,

4. Biomimetic magnetic sensor for electrochemical determination of scombrotoxin in fish, A. H. A. Hassan, L. Sappia, S. L. Moura, F. H. M. Ali, W.

A. Moselhy, M. d. P. T. Sotomayaor, M. L. Pividori, Talanta, 194(1), 2019

5. From Electrochemical Biosensors to Biomimetic Sensors Based on Molecularly Imprinted Polymers in Environmental Determination of Heavy Metals, C. malitesta*, S. D. Masi, E. Mazzotta, Front. Chem., 5(47), 2017